WO2020091465A1 - 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈 - Google Patents

초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈 Download PDF

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WO2020091465A1
WO2020091465A1 PCT/KR2019/014615 KR2019014615W WO2020091465A1 WO 2020091465 A1 WO2020091465 A1 WO 2020091465A1 KR 2019014615 W KR2019014615 W KR 2019014615W WO 2020091465 A1 WO2020091465 A1 WO 2020091465A1
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fluid
lens
space
fluid lens
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PCT/KR2019/014615
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이동희
박성용
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주식회사 에덴룩스
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length

Definitions

  • the present invention relates to a fluid lens capable of varying the focal length. More specifically, the present invention relates to a fluid lens capable of varying a focal length using a magnetic field.
  • variable focal length lenses Unlike traditional lenses that process the surface of a transparent material such as glass into a spherical surface to collect or emit light from an object to form an optical image, lenses that can change the focal length or focal position are called variable focal length lenses.
  • variable focal length is the paper "Tunable-focus lens for adaptive eyeglasses"
  • Optical Express Vol. 25 1221-1233 (2017) discloses a lens in which a fluid is interposed between upper and lower elastic membranes and sealed and a focal length is varied using a flat piston attached to the lower elastic membrane.
  • the upper elastic membrane when pulling with a piston attached to the lower elastic membrane, the upper elastic membrane sags downward to become a lens having a negative refractive index, and when the piston is pushed, the upper As the elastic membrane becomes convex upward, it becomes a lens having a positive refractive index.
  • a conventional focal length variable lens there is a lens in a convex or concave state by putting fluid in or out between the upper and lower elastic membranes without completely sealing between the upper and lower elastic membranes.
  • An object of the present invention is to provide a fluid lens that can vary the focal length using a fluid.
  • Another object of the present invention is to provide at least one first means for forming a variable magnetic field on one of the first membrane and the second membrane forming the two surfaces of the fluid lens, and on the other, the surrounding magnetic field.
  • at least one second means representing magnetic force by the magnetic field by the first means pulls or pushes the second means to concave or convex the space between the first membrane and the second membrane. It is to provide a fluid lens that enables a fluid inserted in a space between a membrane and a second membrane and the two membranes to act as a lens having refractive power.
  • Another object of the present invention is between a first means for forming a variable magnetic field formed in one of the first membrane and the second membrane of the fluid lens and a second means for representing the magnetic force by a peripheral magnetic field formed in the other. It is to provide a fluid lens having the ability to vary the focal length by adjusting the intensity of the magnetic field and magnetic force acting on the.
  • Another object of the present invention is to provide at least one first means for forming a variable magnetic field in the first membrane and the second membrane of the fluid lens and at least one second means for exhibiting magnetic force by the surrounding magnetic field.
  • the strength of the magnetic field and magnetic force acting between the two membranes is continuously changed from the center to the periphery of the space between the first membrane and the second membrane, that is, even if the diameter of the fluid lens is large, the shape of the membrane To control the circumferential surface of the membrane at a certain distance in the radial direction from the center of the membrane, so that the surface of the membrane has a shape closer to the spherical surface, or in particular the aberration of the lens to the membrane surface. It has an aspherical shape that can be controlled well, so that image formation and focusing State to provide a fluid lens having a high variable focal length.
  • the fluid lens capable of varying the focal length comprises: a first membrane having at least one first means for forming a variable magnetic field; A second membrane having at least one second means exhibiting magnetic force by a surrounding magnetic field; A fluid chamber having a fluid inserted into the space, forming a space between the first membrane and the second membrane while keeping the edge of the first membrane and the edge of the second membrane fixed at positions facing each other; And a replenishment chamber connected to the fluid chamber, supplying fluid to the space when the volume of the space increases, and receiving fluid from the space when the volume of the space decreases.
  • the first membrane may further include a second means or the second membrane may further include a first means. Also, both the first membrane and the second membrane may include first and second means.
  • At least one of the first membrane and the second membrane may be an elastic elastic membrane.
  • the first means or the second means may be a conducting wire.
  • the second means may be composed of a ferromagnetic material or a magnetized ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material may be formed of one or more of dispersed ferromagnetic grains, geometric ferromagnetic pattern, and ferromagnetic thin film.
  • the first means and the second means may be made of a material having light transmittance in the visible light region.
  • the replenishment chamber may include pressure means to provide pressure to the fluid.
  • the replenishment chamber includes a movable moving piece that forms a boundary between the fluid-filled space and the rest of the space, and the pressure means has a tension spring or one end connected to the moving piece and located in the fluid-filled space. It may be a compression spring connected to the moving piece and located in the remaining space.
  • the conductor may be a circular conductor or a spiral conductor with one side open, and two parallel current conductors may be connected to one end and one end of the conductor, respectively.
  • the conductor may include a plurality of circular conductors with one side open, and the plurality of circular conductors may coincide with each other and have different diameters.
  • two parallel current conductors may be respectively connected to one end and one end of each circular conductor, and the current conductors connected to each circular conductor may be disposed at regular angular intervals.
  • first membrane and the second membrane of the fluid lens according to the present invention may be made of a stretchable elastic material.
  • one of the first membrane and the second membrane of the fluid lens according to the present invention may be made of a stretchable elastic material and the other may be made of a non-stretchable elastic material.
  • the present invention is provided with a first means for forming a variable magnetic field on one of the first membrane and the second membrane forming the two surfaces of the fluid lens, and on the other, a second means for representing the magnetic force by the surrounding magnetic field.
  • the present invention has an effect of providing a fluid lens having the ability to vary the focal length by adjusting the intensity of the magnetic field and magnetic force acting between the first means and the second means.
  • the first means and the second means are properly arranged so that the strength of the magnetic field and the magnetic force acting between the two membranes changes continuously from the center of the space between the first membrane and the second membrane to the periphery. Even if the diameter of the lens increases, it has the effect of providing a fluid lens having the ability to maintain the shape of the membrane as a spherical or aspherical surface with well controlled aberration.
  • Embodiment 1 is a perspective view of a fluid lens according to Embodiment 1 of the present invention.
  • Embodiment 2 is a cross-sectional view of a fluid lens according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing an exemplary structure of the first membrane of the fluid lens according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 4 is a view showing an exemplary structure of the second membrane of the fluid lens according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the operation of the fluid lens according to the first embodiment of the present invention, when current is supplied to the conductors of the first and second membranes in the same direction.
  • FIG. 6 is a view showing the operation of the fluid lens according to the first embodiment of the present invention, when current is provided in opposite directions to the conductors of the first and second membranes.
  • FIG. 7 and 8 are cross-sectional views of a fluid lens according to a first embodiment of the invention with pressure means.
  • FIG. 9 is a view showing an exemplary membrane including a plurality of circular conductors.
  • FIG. 10 is a view showing an exemplary membrane comprising a helical conductor.
  • FIG. 11 is a view showing an exemplary membrane constituting a spiral conductor with a plurality of circular conductors.
  • FIG. 12 is a view showing the operation of the fluid lens according to the second embodiment of the present invention when a current is provided in a first direction to a conducting wire of the second membrane.
  • FIG 13 is a view showing the operation of the fluid lens according to the second embodiment of the present invention when a current is provided in the second direction (opposite to the first direction) to the conducting wire of the second membrane.
  • the first membrane is an inelastic material and the second membrane is an elastic material.
  • FIG. 15 is a view showing an exemplary membrane in which a ferromagnetic particle (granule) or a nanoparticle (nanogranule) is dispersed and distributed.
  • 16 is a view showing an exemplary membrane in which a ferromagnetic material is distributed in a concentric pattern.
  • 17 is a view showing an exemplary membrane in which a ferromagnetic material is distributed in a lattice pattern.
  • FIG. 18 is a view showing the operation of the fluid lens according to the third embodiment of the present invention, when a current is provided in the first direction to the conducting wire of the second membrane.
  • 19 is a view showing the operation of the fluid lens according to the third embodiment of the present invention when a current is provided in the second direction (opposite to the first direction) to the conducting wire of the second membrane.
  • the first membrane is an inelastic material and the second membrane is an elastic material.
  • 21 is a cross-sectional view showing an embodiment in which the distance between the edge of the first membrane and the edge of the second membrane is configured differently depending on the region.
  • FIG. 1 and 2 show perspective and cross-sectional views of a fluid lens 100 according to Embodiment 1 of the present invention, respectively.
  • the fluid lens 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes a first membrane 10, a second membrane 20, a fluid chamber 30 and a replenishment chamber 40 It is made including.
  • the first membrane 10 and the second membrane 20 are thin membranes capable of blocking the fluid inside the fluid chamber 30 from flowing out, and at least one of the first membrane 10 and the second membrane 20 One may be a stretchable elastic membrane that can be deformed by an external force.
  • the first membrane and the second membrane face each other with the edges spaced apart from each other by a certain distance.
  • the edge of the first membrane and the edge of the second membrane may be fixed to the fluid chamber 30 to maintain the separation distance. That is, as illustrated in FIG. 2, the first membrane 10 and the second membrane 20 face each other with a predetermined distance therebetween, and each edge is fixed to the fluid chamber, so that the edges of the first membrane and the second membrane are fixed. The gap between the edges of the can be maintained.
  • the separation distance between the edge of the first membrane and the edge of the second membrane is such that the first membrane and the second membrane do not contact each other even if an attractive force is generated between the first membrane and the second membrane due to a magnetic field and magnetic force to be described later. To keep distance.
  • the fluid chamber 30 forms a space between the first membrane and the second membrane.
  • the space between the first membrane and the second membrane is filled with fluid, and the fluid may be a fluid having a constant refractive index.
  • the volume of the space between the first membrane and the second membrane is changed by the attraction force or repulsive force generated between the first membrane and the second membrane by the magnetic field and magnetic force to be described later.
  • the fluid lens 100 according to the first embodiment of the present invention is provided with a replenishment chamber 40 on one side of the fluid chamber 30 as shown in FIG. 2, and fluid can be moved between the fluid chamber and the replenishment chamber. This allows the volume change of the space between the first membrane and the second membrane to occur.
  • the interior of the fluid chamber is filled with fluid
  • the replenishment chamber 40 is divided into a space filled with fluid and an open space not filled with fluid by the movable piece 41 as shown in FIG. 2.
  • the space inside the fluid chamber and the space filled with the fluid inside the replenishment chamber are in communication with each other, so that the moving piece moves according to the pressure change inside the fluid chamber, and the fluid moves between the fluid chamber and the replenishment chamber. 2
  • the volume of the space between the membranes can be changed.
  • the fluid lens 100 adjusts the focal length of the lens using a magnetic field and a magnetic force.
  • a conductor 11 is included as a first means for forming a variable magnetic field inside the first membrane 10, and conductors are provided at one end and the other end of the conductor 11.
  • the current lines 12 and 13 for supplying current to each are connected.
  • the inside of the second membrane 20 also includes a conducting wire 21 as a second means for representing attraction or repulsive force by a surrounding magnetic field, and one end and the other end of the conducting wire 21 are connected to the conducting wire.
  • Current lines 22 and 23 for supplying current are respectively connected.
  • first means and the second means are included in the first membrane and the second membrane constituting the fluid lens, it is preferable to be made of a material having light transmittance in the visible light region.
  • the fluid lens 100 according to the first embodiment of the present invention is a lens of negative refractive power.
  • the pressure in the space between the first membrane and the second membrane is increased by the attraction force generated by the magnetic field, and the moving piece 41 moves to the open space where the fluid is not filled by the increased pressure, and the fluid in the fluid chamber is replenished chamber. Go to.
  • the first membrane and the second membrane become concave in the direction of the fluid chamber, and the fluid lens 100 according to an embodiment of the present invention becomes a lens of negative refractive power.
  • the fluid lens 100 becomes a lens of positive refractive power.
  • the pressure in the space between the first membrane and the second membrane is lowered.
  • the fluid moves from the replenishment chamber into the fluid chamber by the lowered pressure, and the moving piece 41 moves toward the fluid-filled space.
  • the first membrane and the second membrane become convex in the outer direction of the fluid chamber, and the fluid lens 100 according to the first embodiment of the present invention becomes a lens of positive refractive power.
  • the fluid lens 100 is a convex lens having a positive refractive power and a minus by adjusting the direction of the current flowing through the conducting wires of the first membrane 10 and the second membrane 20 It can be transformed into a concave lens having refractive power.
  • the focal length can be changed if the radius of curvature r 1 , r 2 changes. That is, by adjusting the amount of current flowing in the conducting wires of the first membrane and the second membrane, the intensity of the magnetic field and the magnetic force is adjusted to change the curvature radius (r 1 , r 2 ) of the second surface of the first surface of the fluid lens. It is possible to adjust the fluid lens to have a desired focal length.
  • FIG. 5 and 6 show the case where the first membrane and the second membrane of the fluid lens according to Example 1 are made of a stretchable elastic material, so FIG. 5 is a bi-concave, and FIG. 6 is a positive It constitutes a bi-convex lens.
  • one of the two membranes is made of a non-stretchable inelastic material, a fluid lens of plano-concave, plano-convex, concave-plano, convex-plano is constructed. You will be able to.
  • distortion between the first membrane and the second membrane may be caused by gravity to cause the lens shape to be distorted.
  • the fluid lens 100 according to the first embodiment of the present invention is preferably further provided with a pressure means for providing pressure to the fluid so that the fluid does not shoot in the direction of gravity even when vertically erected.
  • the pressure means may be a tension spring 42, one end of which is connected to the moving piece 41 and located in a fluid-filled replenishment chamber space, as shown in FIG. 7.
  • the pressure means may be a compression spring 43 having one end connected to the moving piece 41 and located in a replenishment chamber space not filled with fluid, as shown in FIG. 8.
  • Both the tension spring 42 and the compression spring 43 provide a constant pressure to the fluid located in the fluid chamber and the replenishment chamber to prevent the fluid from being pulled in the direction of gravity even when the fluid lens 100 is vertically positioned. have.
  • the conductors as the first means and the second means included in the first membrane 10 and the second membrane 20 may be circular conductors with one side open. As described above, at the open ends of the circular conductors, current lines 12, 13; 22, 23 are connected for current supply. Two current lines parallel to each other are arranged as close as possible to cancel the magnetic field generated by the two current lines. It is desirable to minimize the effect on the magnetic field generated in the surrounding conductors by making it possible.
  • the lead wire and the current wire may be transparent wires or opaque wires of 100 ⁇ m or less to be invisible. Therefore, the conducting wire and the current line are, for example, transparent conducting oxide (TCO), silver nanowire, carbon nanotube (CNT), graphene, conducting polymer, It can be one of indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), indium zinc oxide (IZO), and indium gallium zinc oxide (Indium gallium zinc oxide, IGZO).
  • TCO transparent conducting oxide
  • ITO indium tin oxide
  • ZnO zinc oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • IGZO indium gallium zinc oxide
  • first and second conductors included in the first membrane 10 and the second membrane 20 have a plurality of circular conductors 11-1, 11-2, 11-3, and 11- with one side open. 4).
  • the plurality of circular wires have different diameters from each other as shown in FIG. 9, and it is preferable that they are arranged to coincide with each other.
  • the current lines 12-1, 13-1; 12-2, 13-2; 12-3, 13-3; 12-4, 13-4 connected to the respective circular conductors are arranged at regular angular intervals. It is preferred that an insulator such as a transparent non-conductive oxide is inserted between the conductor and the current line so that the current line connected to the inner conductor is not electrically connected to the outer conductor.
  • the shape of the membrane is formed on the spherical surface by appropriately distributing the amount of current to each circular conductor. It can be made close or an aberration can be a well controlled aspheric surface.
  • the conductors as the first means and the second means of the first membrane 10 and the second membrane 20 may be spiral conductors 11-5 as shown in FIG. 10, as shown in FIG.
  • a spiral conductor may be formed by connecting a plurality of circular conductors with one side open by connecting lines 14-1 and 14-2.
  • the conducting wires of the first membrane 10 and the second membrane 20 are determined by simulation results for distribution of a magnetic field that requires a plurality of circular conductors centered on the membrane as shown in FIG. 9. It can be distributed in a number of places. In this way, it is possible to have a membrane shape having a membrane shape close to a spherical surface or an aspherical shape in which aberration is well controlled.
  • the fluid lens 200 according to the second embodiment of the present invention is the same as the fluid lens 100 according to the first embodiment, the first membrane 10, the second membrane 20, the fluid chamber 30, the replenishment chamber ( 40).
  • the fluid lens 200 according to the second embodiment of the present invention unlike the fluid lens according to the first embodiment, the first membrane 10 includes second means for exhibiting attraction or repulsive force by the surrounding magnetic field, and the second The membrane contains a first means of forming a variable magnetic field. That is, in the fluid lens according to the present invention, the first means and the second means may be included in either the first membrane or the second membrane.
  • the fluid lens 200 according to the second embodiment of the present invention may use a ferromagnetic material instead of a conducting wire as the second means, unlike the first embodiment.
  • the ferromagnetic particles (15, small granules or nano-granules) are dispersed to the first membrane. It can also be distributed. At this time, the ferromagnetic particles may be uniformly distributed as shown in FIG. 15, but may have an uneven coating determined by simulation results for the distribution of magnetic force required.
  • the second means for representing attraction or repulsive force by the surrounding magnetic field is formed into a pattern 16 of various geometric shapes such as a concentric circle pattern composed of circles having different diameters, a lattice pattern, and the like. It can also form.
  • the transmittance of light rays passing through the lens may be increased.
  • a thin film made of a ferromagnetic material may be formed on the membrane as a second means for representing attraction or repulsion by the surrounding magnetic field.
  • a second means in the form of a combination of two or more of conductive wires, ferromagnetic granules or nanogranules, various geometric ferromagnetic patterns, and ferromagnetic thin films may be formed on the membrane.
  • the ferromagnetic material forming the second means materials such as iron, nickel, cobalt, and ferrite can be used.
  • the ferromagnetic thin film material may be a material of a series such as Fe-Cr-Zr or FeCo- (Al-fluoride).
  • the fluid lens 200 according to the second embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 12 and 13 as follows.
  • the first membrane 10 is composed of a stretchable elastic membrane and the second membrane 20 is composed of a non-stretchable inelastic membrane. .
  • first membrane 10 includes a ferromagnetic material as a second means for exhibiting attraction or repulsive force by the surrounding magnetic field
  • second membrane 20 includes a conductor as a first means for forming a magnetic field
  • the ferromagnetic material is generated by the magnetic field formed in the second membrane.
  • the included first membrane is pulled, it becomes a concave-plano concave lens having a negative refractive index.
  • the first membrane containing the ferromagnetic material by the magnetic field formed in the second membrane As it is pulled, it becomes a concave-plano concave lens having a negative refractive index.
  • the ferromagnetic material of the first membrane 10 is distributed in one or a combination of two or more of small granule or nanogranule shapes, various geometric pattern shapes, and thin film shapes It is obvious that the description of the principle of operation does not change.
  • the fluid lens 200 according to the second embodiment of the present invention as shown in Figure 14, the first membrane 10 is made of a non-stretchable non-elastic material, and the second membrane 20 is made of a stretchable elastic material. You may.
  • a magnetic field generated when a current flows in the conducting wire of the second membrane 20 attracts the ferromagnetic body of the first membrane 10, wherein the first membrane 10 is inelastic without elasticity. Since the second membrane 20 is relatively made of a material, a concave lens of a plano-concave shape having a negative refractive index is formed.
  • both the first membrane 10 and the second membrane 20 of the second embodiment of the present invention are elastic elastic membranes, the first membrane 10 by the magnetic force appearing according to the amount of current flowing through the second membrane 20 Both and the second membrane 20 are pulled from each other to form a concave lens in the form of a bi-concave having a negative refractive index on both surfaces.
  • the ferromagnetic material of the first membrane 10 when the ferromagnetic material of the first membrane 10 receives a magnetic force in the magnetic field by the second membrane 20, it may be slightly magnetized even if the external magnetic field disappears, and neutralize it for the initialization of the fluid lens. There is a need. In this case, the direction of the current flowing through the second membrane 20 is reversed, and when the current amount is flowed to a value calculated by simulation (typically less than the current applied to make the first fluid lens), the remaining magnetization state is determined. It can be removed and initialized.
  • the fluid lens 200 according to Embodiment 2 of the present invention is always a concave lens having a negative refractive index, but the intensity of the current provided to the conductor as the first means for forming a variable magnetic field of the second membrane is different. To change the focal length.
  • the fluid lens according to the second embodiment of the present invention is always a concave lens having a negative refractive index.
  • a ferromagnetic material is magnetized in a uniform magnetic field and included in a membrane of a fluid lens, the membrane will form a magnetic field.
  • the ferromagnetic material thus magnetized may be a second means capable of exerting attraction or repulsion by the surrounding magnetic field. Therefore, forming the first means of forming a variable magnetic field on the other membrane of the fluid lens can generate an attractive force and repulsive force between the two membranes, so that the fluid lens can be transformed into a convex lens as well as a concave lens. .
  • the fluid lens 300 according to the third embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 18 and 19 as follows.
  • the first membrane 10 is composed of a stretchable elastic membrane
  • the second membrane 20 is a non-stretchable inelastic membrane. Consists of.
  • the fluid lens 300 shown in FIGS. 18 and 19 includes a first ferromagnetic material in which the first membrane 10 is magnetized as a second means for exerting or repulsive force by a surrounding magnetic field.
  • the ferromagnetic material is magnetized such that the center of the upper surface of the first membrane 10 has an S pole and the center of the lower surface has an N pole, and the second membrane 20 forms a variable magnetic field.
  • the conducting wire 21 may be included.
  • the fluid lens 300 when current flows in the counterclockwise direction as shown in FIG. 18 in the conducting line 21 of the second membrane 20, the center of the upper surface of the second membrane It becomes an N pole, and a repulsive force is generated between the first membrane and the second membrane, so that the fluid lens 300 becomes a convex-plano convex lens having positive refractive power.
  • the fluid lens 300 according to the third embodiment of the present invention comprises a first membrane 10 as a non-stretchable non-elastic material and a second membrane 20 as a stretchable elastic material as shown in FIG. 20. You may.
  • the center of the upper surface of the second membrane becomes an S pole and pulls the ferromagnetic material of the first membrane.
  • the first membrane 10 is made of an inelastic material having no elasticity, the second membrane 20 is relatively pulled to form a plano-concave concave lens having a negative refractive index.
  • a convex lens having a plano-convex shape having a positive refractive index is formed when a current is flowed in a counterclockwise direction to the conducting wire 21 of the fluid lens as shown in FIG. 20.
  • both the first membrane 10 and the second membrane 20 of Example 3 of the present invention are composed of an elastic membrane, and a bi-concave type concave lens or a bi-convex type convex Lenses can also be constructed.
  • the fluid lens 300 according to the third embodiment of the present invention may be modified to be a concave lens or a convex lens according to the direction of the current provided to the conducting wire as a first means for forming a magnetic field.
  • the fluid lens 300 according to the third embodiment of the present invention may vary the focal length by adjusting the intensity of the current.
  • the magnetized ferromagnetic material may be composed of a combination of any one or two or more of granules, various geometric ferromagnetic patterns, and ferromagnetic thin films.
  • the fluid constituting the fluid lens becomes a fluid lens capable of varying the effective focal length in a specific area only when it is made of a material having light transmittance in a specific area in the spectrum.
  • the shape of the non-stretchable non-elastic membrane is limited, and it should be understood that the shape of the non-stretchable non-elastic membrane may be a curved surface such as a spherical surface or an aspherical surface.
  • At least one first means for forming a variable magnetic field is installed in one of the first membrane and the second membrane, and in the other, a magnetic force is displayed by a surrounding magnetic field.
  • the present invention has been described as having two or more means. However, the first means and the second means may be mixed in either the first membrane or the second membrane.
  • each of the first means is installed.
  • the action of the means and the second means may indicate attraction or repulsion. Therefore, it is possible to elicit a volume change of the space between the first membrane and the second membrane, and implement a fluid lens capable of varying the focal length.
  • the fluid chamber has been shown to space the gap between the edges of the first membrane and the edges of the second membrane in all regions, but in some regions, as shown in FIG.
  • the gap between the edge and the edge of the second membrane can be configured to be different from the gap in other regions.
  • first membrane 20 second membrane

Landscapes

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Abstract

본 발명에 따른 유체 렌즈는 서로 마주보는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인, 상기 제1 멤브레인에 형성된 자기장을 형성하는 제1 수단과 상기 제2 멤브레인에 형성된 외부 자기장에 대해 자기력을 나타내는 제2 수단, 상기 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 공간을 형성하고 유체로 채워진 유체 챔버, 및 상기 유체 챔버와 연결되어 있는 보충 챔버를 포함하여 이루어지며, 상기 제1 수단에 의해 생성되는 자기장에 의해 상기 제2 수단이 자기력을 생성함으로서 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 인력과 척력이 발생되도록 하여 렌즈의 초점 거리가 조절되는 것을 특징으로 한다.

Description

초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈
본 발명은 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 자기장을 이용하여 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈에 관한 것이다.
유리와 같이 투명한 물질의 면을 구면으로 가공하여 물체로부터 오는 빛을 모으거나 발산시켜 광학적 상을 맺게 하는 전통적인 렌즈와 달리 초점거리 또는 초점위치를 변경할 수 있는 렌즈를 초점거리 가변 렌즈라 한다.
이러한 초점거리 가변 렌즈의 예로 논문 "Tunable-focus lens for adaptive eyeglasses" Optical Express Vol. 25 1221-1233 (2017)에 상하부 탄성 멤브레인 사이에 유체를 넣어 밀봉하고 하부 탄성 멤브레인에 부착된 평면 피스톤을 이용하여 초점거리를 가변시키는 렌즈가 개시되어 있다.
보다 상세히 설명하면, 하부 탄성 멤브레인에 붙어있는 피스톤으로 당기면 상부 탄성 멤브레인이 아래로 처져 마이너스 굴절률을 갖는 렌즈가 되고 피스톤을 밀면 상부 탄성 멤브레인이 위로 볼록하게 되면서 플러스 굴절률을 갖는 렌즈가 되는 것이다.
또한 종래 초점거리 가변 렌즈로서 상하부 탄성 멤브레인 사이를 완전히 밀봉하지 않고 상하부 탄성 멤브레인 사이에 유체를 넣거나 빼내어 볼록하거나 오목한 상태의 렌즈도 있다.
그러나 이러한 종래 초점거리 가변 렌즈들은 렌즈의 직경이 커질 경우 탄성 멤브레인의 중심에서 방사상 방향으로 특정거리만큼 떨어진 부분들에서의 멤브레인의 원주방향의 표면을 제어할 수 없기 때문에 멤브레인의 표면을 구면과 가까운 형상을 가지도록 하기 어렵거나, 특히 멤브레인 표면을 비구면 형상을 갖도록 하기는 더욱 어려운 특성을 가지고 있다. 즉 멤브레인의 표면을 비구면 형상을 가지도록 하면 렌즈의 수차를 잘 제어할 수 있기 때문에 결상 및 집속 능력이 아주 우수한 가변 초점거리를 갖는 액체렌즈를 만들 수 있는 장점이 있는데 이러한 장점을 가질 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 유체를 이용하여 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유체 렌즈의 두 표면을 형성하는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 어느 하나에는 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단을 적어도 한 개 이상 설치하고, 또 다른 하나에는 주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 제2 수단을 적어도 한 개 이상 설치하여 제1 수단에 의한 자기장이 제2 수단을 끌어당기거나 밀쳐서 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 공간을 오목하게 하거나 볼록하게 하여 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 그리고 상기 두 멤브레인 사이의 공간에 삽입된 유체가 굴절력을 가지는 렌즈역할을 할 수 있게 하는 유체 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 유체 렌즈의 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 어느 하나에 형성된 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단과 다른 하나에 형성된 주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 제2 수단 사이에 작용하는 자기장과 자기력의 세기를 조절하여 초점거리를 가변할 수 있도록 하는 능력을 가진 유체 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 유체 렌즈의 제1 멤브레인과 제2 멤브레인에 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 적어도 1개 이상의 제1 수단과 주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 적어도 1개 이상의 제2 수단을 적절하게 배치하여 상기 두 멤브레인 사이에 작용하는 자기장과 자기력의 세기가 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 공간의 중앙에서 주변부로 갈수록 연속적으로 변하도록 하여, 즉 유체 렌즈의 직경이 커지더라도 멤브레인의 형상을 멤브레인의 중심에서 방사상 방향으로 특정거리 만큼 떨어진 부분들에서의 멤브레인의 원주방향의 표면을 제어할 수 있도록 하여 멤브레인의 표면을 구면과 더욱 가까운 형상을 가지도록 하거나, 특히 멤브레인 표면을 렌즈의 수차를 잘 제어할 수 있는 비구면 형상을 가지도록 하여 결상 및 집속 능력이 아주 우수한 가변 초점거리를 갖는 유체 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈에 본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 초점거리를 가변할 수 있는 유체렌즈는 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단을 1개 이상 가진 제1 멤브레인; 주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 제2 수단을 1개 이상 가진 제 2 멤브레인; 상기 제1 멤브레인의 가장자리와 상기 제2 멤브레인의 가장자리가 서로 마주보는 위치에서 고정되어 있도록 하면서, 상기 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 공간을 형성하고, 상기 공간에 삽입된 유체를 갖는 유체 챔버; 및 상기 유체 챔버와 연결되어 있으며, 상기 공간의 부피가 증가하면 상기 공간으로 유체를 공급하고 상기 공간의 부피가 감소하면 상기 공간으로부터 유체를 공급받는 보충 챔버를 포함한다.
제1 멤브레인이 제2 수단을 더 포함하거나 제2 멤브레인이 제1 수단을 더 포함할 수 있다. 또한 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 둘 다 제1 수단과 제2 수단을 포함할 수도 있다.
제1 멤브레인과 제2 멤브레인중 적어도 1개는 신축성 있는 탄성 멤브레인일 수 있다.
상기 제1 수단 또는 제2 수단은 도선일 수 있다.
상기 제2 수단은 강자성체 물질 또는 자화된 강자성체 물질로 구성될 수 있다.
상기 강자성체 물질은 분산된 강자성체 알갱이, 기하학적 강자성체 패턴, 강자성체 박막 중 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 수단 및 상기 제2 수단은 가시광선 영역에서 광투과율이 있는 재질로 구성될 수 있다.
상기 보충 챔버에는 상기 유체에 압력을 제공하는 압력 수단이 포함될 수 있다.
상기 보충 챔버는 유체가 채워진 공간과 나머지 공간의 경계를 형성하는 이동 가능한 이동편을 포함하고, 상기 압력 수단은 일단이 상기 이동편에 연결되며 상기 유체가 채워진 공간 내에 위치하는 인장 스프링 또는 일단이 상기 이동편에 연결되며 상기 나머지 공간 내에 위치하는 압축 스프링일 수 있다.
상기 도선은 일측이 개방된 원형 도선 또는 나선형 도선일 수 있으며, 도선의 일단과 끝단에 2개의 평행한 전류 도선이 각각 연결되어 있을 수 있다.
상기 도선은 일측이 개방된 복수 개의 원형 도선을 포함하고 상기 복수 개의 원형 도선은 서로 중심은 일치하고 직경은 상이할 수 있다. 또한 각각의 원형 도선의 일단과 끝단에 2개의 평행한 전류 도선이 각각 연결될 수 있으며, 각각의 원형 도선에 연결된 전류 도선은 서로 일정 각도 간격으로 배치될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유체 렌즈의 제1 멤브레인과 제2 멤브레인은 신축성이 있는 탄성 재질로 구성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유체 렌즈의 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 하나는 신축성이 있는 탄성 재질로 구성되고 나머지 하나는 신축성이 없는 비탄성 재질로 구성될 수 있다.
본 발명은 유체 렌즈의 두면을 형성하는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 어느 하나에는 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단을 설치하고, 또 다른 하나에는 주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 제2 수단을 설치하여 제1 수단에 의한 자기장이 제2 수단을 끌어당기거나 밀쳐서 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 공간을 오목하게 하거나 볼록하게 하여 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 그리고 상기 두 멤브레인 사이의 공간에 삽입된 유체가 굴절력을 가지는 렌즈역할을 할 수 있게 하는 유체 렌즈를 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명은 제1 수단과 제2 수단 사이에 작용하는 자기장과 자기력의 세기를 조절하여 초점거리를 가변할 수 있도록 하는 능력을 가진 유체 렌즈를 제공하는 효과를 갖는다.
본 발명은 제1 수단과 제2 수단을 적절하게 배치하여 두 멤브레인 사이에 작용하는 자기장과 자기력의 세기가 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 공간의 중앙에서 주변부로 갈수록 연속적으로 변하도록 하여, 유체 렌즈의 직경이 커지더라도 멤브레인의 형상을 구면 또는 수차(aberration)가 잘 제어되는 비구면으로 유지할 수 있도록 하는 능력을 가진 유체 렌즈를 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 제1 멤브레인의 예시적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 제2 멤브레인의 예시적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 제1 및 제2 멤브레인의 도선에 동일한 방향으로 전류를 제공한 경우, 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 6은 제1 및 제2 멤브레인의 도선에 서로 반대 방향으로 전류를 제공한 경우, 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 7과 도 8은 압력 수단을 구비한 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 단면도이다.
도 9는 복수 개의 원형 도선을 포함하는 예시적인 멤브레인을 보여주는 도면이다.
도 10은 나선형 도선을 포함하는 예시적인 멤브레인을 보여주는 도면이다.
도 11은 복수 개의 원형 도선으로 나선형 도선을 구성하는 예시적인 멤브레인을 보여주는 도면이다.
도 12는 제2 멤브레인의 도선에 제1 방향으로 전류를 제공한 경우, 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 13은 제2 멤브레인의 도선에 제2 방향(제1 방향과 반대 방향)으로 전류를 제공한 경우, 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 14는 제1 멤브레인이 비탄성 재질이고 제2 멤브레인이 탄성재질인 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 15는 강자성체의 알갱이(granule) 또는 나노알갱이(nanogranule)가 분산되어 분포하는 예시적인 멤브레인을 보여주는 도면이다.
도 16은 동심원 패턴으로 강자성체가 분포된 예시적인 멤브레인을 보여주는 도면이다.
도 17은 격자 패턴으로 강자성체가 분포된 예시적인 멤브레인을 보여주는 도면이다.
도 18은 제2 멤브레인의 도선에 제1 방향으로 전류를 제공한 경우, 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 19는 제2 멤브레인의 도선에 제2 방향(제1 방향과 반대 방향)으로 전류를 제공한 경우, 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 20은 제1 멤브레인이 비탄성 재질이고 제2 멤브레인이 탄성재질인 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈의 동작을 보여주는 도면이다.
도 21은 제1 멤브레인의 가장자리와 제2 멤브레인의 가장자리 사이의 거리가 영역에 따라 다르게 구성된 실시예를 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 초점거리를 가변할 수 있는 유체렌즈를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1과 도 2에 각각 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)의 사시도와 단면도가 개시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 제1 멤브레인(10), 제2 멤브레인(20), 유체 챔버(30) 및 보충 챔버(40)를 포함하여 이루어진다.
제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)은 유체 챔버(30) 내부의 유체가 외부로 유출되지 않도록 차단할 수 있는 얇은 막이며, 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)중 적어도 하나는 외력에 의해 변형될 수 있는 신축성이 있는 탄성 멤브레인일 수 있다.
제1 멤브레인과 제2 멤브레인은 가장자리가 서로 일정 거리 이격된 상태로 서로 마주본다. 또한 이격 거리 유지를 위해 제1 멤브레인의 가장자리와 제2 멤브레인의 가장자리는 유체 챔버(30)에 고정될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)이 일정 거리 이격된 채 서로 마주보며, 각각의 가장자리가 유체 챔버에 고정됨으로써 제1 멤브레인의 가장자리와 제2 멤브레인의 가장자리 사이의 간격이 유지될 수 있다.
제1 멤브레인의 가장자리와 제2 멤브레인의 가장자리 사이의 이격 거리는 추후 설명할 자기장과 자기력에 의해 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 인력이 발생하더라도 제1 멤브레인과 제2 멤브레인이 서로 닿지 않을 정도의 최소 거리를 유지하기 위한 것이다.
다음으로, 유체 챔버(30)는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 공간을 형성한다. 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 공간은 유체로 채워져 있으며, 이 유체는 일정한 굴절률을 갖는 유체일 수 있다.
제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 부피는 추후 설명할 자기장과 자기력에 의해 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 발생하는 인력 또는 척력에 의해 변한다.
이에 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 유체 챔버(30)의 일측에 보충 챔버(40)를 구비하고 유체 챔버와 보충 챔버 사이에서 유체가 이동될 수 있도록 하여 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 부피 변화가 일어날 수 있도록 한다.
보다 구체적으로, 유체 챔버의 내부는 유체로 가득 채우고, 보충 챔버(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 이동 가능한 이동편(41)에 의해 유체가 채워진 공간과 유체가 채워지지 않은 열린 공간으로 나뉘어지도록 구성한다. 이때 유체 챔버 내부의 공간과 보충 챔버 내부의 유체가 채워진 공간이 서로 연통되도록 하여 유체 챔버 내부 압력 변화에 따라 이동편이 이동되고 유체 챔버와 보충 챔버 사이에 유체가 이동되며, 이에 따라 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 부피가 변화될 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 초점거리를 조절하기 위한 구성 및 이에 따른 각 구성요소의 위치 변화에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 유체 렌즈(100)는 자기장과 자기력을 이용하여 렌즈의 초점거리를 조절한다.
이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 멤브레인(10)의 내부에는 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단으로서 도선(11)이 포함되어 있고, 도선(11)의 일단과 타단에는 도선에 전류를 공급하기 위한 전류선(12, 13)이 각각 연결되어 있다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이 제2 멤브레인(20)의 내부에도 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단으로서 도선(21)이 포함되어 있고, 도선(21)의 일단과 타단에는 도선에 전류를 공급하기 위한 전류선(22, 23)이 각각 연결되어 있다.
제1 수단과 제2 수단은 유체 렌즈를 이루는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인에 포함되어 있기 때문에 가시광선 영역에서 광투과율이 있는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
도 3에는 제1 수단으로서 두 개의 원형도선이 도시되어 있고, 도 4에는 제2 수단으로서 한 개의 원형도선이 구성되어 있으나, 이들 원형도선의 개수와 직경 등은 필요로 하는 자기장의 분포 및 자기력을 위한 시뮬레이션 결과에 의해 적절하게 결정될 수 있다.
위와 같은 제1 멤브레인과 제2 멤브레인을 서로 마주보게 놓고, 제1 수단 및 제2 수단의 도선에 같은 방향으로 전류가 흐르도록 전류를 공급하면, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 인력이 발생하고, 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 마이너스 굴절력의 렌즈가 된다.
보다 상세히 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이 도선(11)과 도선(21)에 반시계 방향으로 전류가 흐르도록 하면, 제1 멤브레인의 아랫면의 중심은 S극이 되고, 제2 멤브레인의 윗면의 중심은 N극이 되어 서로 인력이 발생한다.
위와 같이 자기장에 의해 발생한 인력에 의해 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 압력은 높아지고, 높아진 압력에 의해 이동편(41)이 유체가 채워지지 않은 열린 공간으로 이동하며 유체 챔버 내의 유체가 보충 챔버로 이동한다.
위와 같은 유체 이동에 의해 제1 멤브레인과 제2 멤브레인은 유체 챔버 내부 방향으로 오목한 형상이 되고 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 렌즈(100)는 마이너스 굴절력의 렌즈가 된다.
다음으로, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인을 서로 마주보게 놓고, 제1 수단 및 제2 수단의 도선에 반대 방향으로 전류가 흐르도록 전류를 공급하면, 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 척력이 발생하여 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 플러스 굴절력의 렌즈가 된다.
보다 상세히 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 멤브레인의 도선(11)에는 반시계 방향으로 전류가 흐르도록 하고, 제2 멤브레인의 도선(21)에는 시계 방향으로 전류가 흐르도록 하면, 제1 멤브레인의 아랫면의 중심은 S극이 되고, 하부 멤브레인의 윗면의 중심도 S극이 되어 서로 척력이 발생한다.
위와 같이 자기장에 의해 발생한 척력에 의해 제1 멤브레인과 하부 멤브레인이 서로 밀어내면 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 압력은 낮아진다. 낮아진 압력에 의해 보충 챔버로부터 유체 챔버 내로 유체가 이동하며, 이동편(41)은 유체가 채워진 공간쪽으로 이동한다.
위와 같은 유체 이동에 의해 제1 멤브레인과 제2 멤브레인은 유체 챔버 바깥 방향으로 볼록한 형상이 되고 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 플러스 굴절력의 렌즈가 된다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)의 도선에 흐르는 전류의 방향을 조절함으로써 플러스 굴절력을 갖는 볼록 렌즈, 마이너스 굴절력을 갖는 오목 렌즈로 변형되도록 할 수 있다. 또한 도선에 흐르는 전류의 양을 조절하여 자기장과 자기력의 세기를 조절함으로써 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 부피를 조절하게 할 수 있다. 이는 제1 멤브레인과 제2 멤브레인의 볼록 오목한 정도를 조절하게 되는 것, 즉 유체 렌즈의 제1면과 제2면의 곡률반경(r1,r2)을 조절하는 것과 같게 되기 때문에, 아래의 식1에서 보면 곡률반경 r1, r2가 변한다면 초점거리를 바꿀 수 있음을 확인할 수 있다. 즉 제1 멤브레인과 제2 멤브레인의 도선에 흐르는 전류의 양을 조절하여 자기장과 자기력의 세기를 조절함으로써 유체 렌즈의 제1면 제2면의 곡률반경(r1,r2)의 변화를 주게 될 수 있게 되어 유체렌즈가 원하는 초점거리를 갖도록 조절할 수 있게 되는 것이다.
Figure PCTKR2019014615-appb-I000001
(식1)
f; 초점거리
n; 유체의 굴절률
r1: 제1면의 곡률반경
r2; 제2면의 곡률반경
t; 렌즈의 중심 두께
(단, 상기 식은 제1 멤브레인과 제2 멤브레인의 두께가 아주 얇다고 가정했을 때 성립하는 식이다. 또한 상기 공식의 각 항의 부호는 일반적인 기하광학의 규약에 따른다.)
도 5와 도 6에서는 실시예 1에 따른 유체 렌즈의 제1 멤브레인과 제2 멤브레인이 신축성이 있는 탄성 재질로 구성된 경우에 대해서 도시하였기 때문에 도 5는 양모목(bi-concave), 도 6은 양볼록(bi-convex) 렌즈를 구성하고 있다.
만약 두 멤브레인 중 하나를 신축성이 없는 비탄성 재질로 구성한다면 평오목(plano-concave), 평볼록(plano-convex), 오목평(concave-plano), 볼록평(convex-plano)의 유체렌즈를 구성할 수 있을 것이다.
다만 이와 같은 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)를 세로로 세울 경우 중력에 의해 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이의 유체가 아래로 쏠리면서 렌즈의 형상에 왜곡이 발생할 수 있다.
이에 본 발명의 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)는 세로로 세우더라도 유체가 중력방향으로 쏠리지 않도록 유체에 압력을 제공하는 압력 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
예를 들어 압력 수단은 도 7에 도시된 바와 같이 일단이 이동편(41)에 연결되며 유체가 채워진 보충 챔버 공간 내에 위치하는 인장 스프링(42)일 수 있다. 또한 압력 수단은 도 8에 도시된 바와 같이 일단이 이동편(41)에 연결되며 유체가 채워지지 않은 보충 챔버 공간 내에 위치하는 압축 스프링(43)일 수도 있다.
이와 같은 인장 스프링(42)과 압축 스프링(43)은 모두 유체 챔버와 보충 챔버 내에 위치한 유체에 일정 압력을 제공하여 유체 렌즈(100)를 세로로 세우더라도 유체가 중력방향으로 쏠리는 현상을 방지할 수 있다.
다시 도 3과 도 4를 참조하면, 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)에 포함된 제1 수단 및 제2 수단으로서의 도선은 일측이 개방된 원형 도선일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 원형 도선의 개방된 단부에는 전류 공급을 위해 전류선(12, 13; 22, 23)이 연결되는데 서로 나란한 2개의 전류선을 가능한 가깝게 배치하여 2개의 전류선에 발생하는 자기장이 상쇄되도록 함으로써 주변 도선에 발생하는 자기장에 미치는 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.
도선과 전류선은 눈에 보이지 않도록 투명 도선 또는 100㎛이하의 불투명 도선일 수도 있다. 따라서 도선과 전류선은 예를 들어 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowire), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer), 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 산화아연(ZnO), 인듐아연옥사이드(Indium zinc oxide, IZO), 및 인듐갈륨아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO) 중 하나일 수 있다.
또한 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)에 포함된 제1 수단 및 제2 수단으로서의 도선은 일측이 개방된 복수 개의 원형 도선(11-1, 11-2, 11-3, 11-4)으로 구성할 수도 있다. 이때 복수 개의 원형 도선은 도 9에 도시된 바와 같이 서로 직경이 상이하며, 서로 중심이 일치되도록 배치되는 것이 바람직하다.
이때 각각의 원형 도선에 연결된 전류선들(12-1, 13-1; 12-2, 13-2; 12-3, 13-3; 12-4, 13-4)은 일정 각도 간격으로 배치되어 있는 것이 바람직하며, 안쪽 도선에 연결된 전류선이 바깥쪽 도선과 전기적으로 연결되지 않도록 도선과 전류선 사이에는 투명 비전도성 산화물과 같은 절연체가 삽입되는 것이 바람직하다.
이와 같이 복수 개의 원형 도선으로 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)의 제1 수단과 제2 수단을 구성할 경우, 각각의 원형 도선에 전류량을 적절하게 분포시킴으로서 멤브레인의 형상이 구면에 가깝게 되도록 하거나, 수차(aberration)가 잘 제어되는 비구면이 되게 할 수 있다.
또한 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)의 제1 수단 및 제2 수단으로서의 도선은 도 10에 도시된 바와 같이 나선형 도선(11-5)일 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같이 일측이 개방된 복수 개의 원형 도선을 연결선(14-1, 14-2)으로 연결하여 나선형 도선을 형성할 수도 있다.
또한 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)의 도선은 도 9에 도시된 바와 같이 멤브레인의 중심을 공심으로 하는 다수개의 원형도선을 필요로 하는 자기장의 분포를 위한 시뮬레이션 결과에 의해 결정되어지는 위치에 다수 개 분포시킬 수 있다. 이와 같이 하면 구면에 가까운 멤브레인 형상 또는 수차(aberration)가 잘 제어되는 비구면 형상을 가지는 멤브레인 형상을 가질 수 있게 된다.
도 12와 도 13에 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)가 도시되어 있다.
본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)는 실시예 1에 따른 유체 렌즈(100)와 동일하게 제1 멤브레인(10), 제2 멤브레인(20), 유체 챔버(30), 보충 챔버(40)를 포함하여 이루어진다.
다만, 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)는 실시예 1에 따른 유체 렌즈와 달리 제1 멤브레인(10)은 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단을 포함하고, 제2 멤브레인은 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단을 포함하고 있다. 즉, 본 발명에 따른 유체 렌즈에서 제1 수단과 제2 수단은 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 어디라도 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)는 실시예 1과 달리 제2 수단으로서 도선 대신 강자성체 물질을 사용할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단으로서 도 15에 도시된 바와 같이 강자성체의 알갱이(15, 작은 알갱이(granule) 또는 나노 알갱이(nanogranule))를 분산시켜 제1 멤브레인에 분포시킬 수도 있다. 이때 강자성체 알갱이는 도 15에 도시된 바와 같이 균일하게 분포될 수 있으나 필요로 하는 자기력의 분포를 위한 시뮬레이션 결과에 의해 결정되어지는 불균일한 도포를 가질 수도 있다.
또한 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단을 도 16과 도 17에 도시된 바와 같이 강자성체 물질을 직경이 서로 다른 원들로 이루어진 동심원 패턴, 격자형 패턴 등 여러가지 기하학적 형태의 패턴(16)으로 형성할 수도 있다.
이때 강자성체 패턴을 만드는 강자성체 물질의 띠의 너비를 얇게 함으로써 렌즈를 구성하였을 때 렌즈를 통과하는 광선들의 투과율을 높일 수 있게 된다.
또한 강자성체 패턴을 이루는 강자성체 물질의 띠를 가시광선 영역에서 투명하게 하여 렌즈를 구성하였을 때 렌즈를 통과하는 광선들의 투과율을 높일 수 도 있다.
또한 상기 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단으로서 강자성체 물질로 이루어진 박막(thin film, 미도시)을 멤브레인에 형성할 수도 있다.
또한 도선, 강자성체 작은 알갱이(granule) 또는 나노알갱이(nanogranule), 여러가지 기하학적 강자성체 패턴, 강자성체 박막(thin film) 중 2가지 이상을 조합한 형태의 제2 수단을 멤브레인에 형성할 수도 있다.
제2 수단을 형성하는 강자성체는 철, 니켈, 코발트, 페라이트(ferrite) 등의 물질이 사용될 수 있다.
또한 강자성체 박막 물질은 Fe-Cr-Zr 또는 FeCo-(Al-fluoride) 등의 계열의 물질일 수도 있다.
이러한 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)를 도 12와 도 13을 참고로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 12와 도 13에 도시된 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈는 제1 멤브레인(10)이 신축성이 있는 탄성 멤브레인으로 구성되고 제2 멤브레인(20)은 신축성이 없는 비탄성 멤브레인으로 구성되어 있다.
또한 제1 멤브레인(10)에는 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단으로서 강자성체 물질이 포함되어 있고 제2 멤브레인(20)에는 자기장을 형성하는 제1 수단으로서 도선이 포함되어 있다.
이러한 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)의 제2 멤브레인의 도선(21)에 도 12에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로 전류를 흘리면, 제2 멤브레인에 형성된 자기장에 의해 강자성체 물질이 포함된 제1 멤브레인이 당겨지면서 마이너스 굴절률을 가지는 오목평(concave-plano) 형태의 오목 렌즈가 된다.
또한 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)의 제2 멤브레인의 도선에 도 14에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 전류를 흘려도 제2 멤브레인에 형성된 자기장에 의해 강자성체 물질이 포함된 제1 멤브레인이 당겨지면서 마이너스 굴절률을 가지는 오목평(concave-plano) 형태의 오목 렌즈가 된다.
상기 제1 멤브레인(10)의 강자성체 물질이 작은 알갱이(granule) 또는 나노알갱이(nanogranule) 형태, 여러 가지 기하학적 패턴 형태, 및 박막(thin film) 형태 중 하나 또는 2이상의 조합으로 분포하더라도 실시예 2의 작동 원리의 설명은 달라지지 않는다는 것은 자명하다.
또한 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)는 도 14에 도시된 바와 같이 제1 멤브레인(10)을 신축성이 없는 비탄성 재질로, 제2 멤브레인(20)을 신축성이 있는 탄성 재질로 구성할 수도 있다.
이러한 유체 렌즈(200)에서, 제2 멤브레인(20)의 도선에 전류가 흐르면 발생되는 자기장이 제1 멤브레인(10)의 강자성체를 끌어 당기게 되는데, 이 때 제1 멤브레인(10)은 신축성이 없는 비탄성 재질로 구성되어 있기 때문에 상대적으로 제2 멤브레인(20)이 당겨져서 마이너스 굴절률을 가지는 평오목(plano-concave)형태의 오목 렌즈가 형성되는 것이다.
또한 본 발명의 실시예 2의 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20) 모두가 신축성이 있는 탄성 멤브레인이라면 제2 멤브레인(20)에 흐르는 전류량에 따라서 나타나는 자기력에 의해 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20) 모두가 서로 당겨져서 양면이 오목한 마이너스 굴절률을 가지는 양오목(bi-concave)형태의 오목 렌즈가 형성되는 것이다.
이러한 실시예 2에서는 제1 멤브레인(10)의 강자성체가 제2 멤브레인(20)에 의한 자기장 속에서 자기력을 받았을 경우 외부 자기장이 사라져도 약간 자화가 되어 있을 수 있으며, 유체렌즈의 초기화를 위해 이를 중화시킬 필요가 있다. 이 경우에는 제2 멤브레인(20)에 흐르는 전류의 방향을 반대로, 전류량을 시뮬레이션에 의해 계산된 값(일반적으로 처음 유체렌즈를 만들기 위해 인가한 전류보다는 적은 값이다)으로 흐르게 하면 남아있는 자화 상태를 제거하여 초기화 할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈(200)는 항상 마이너스 굴절률을 가지는 오목 렌즈가 되지만 제2 멤브레인의 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단으로서의 도선에 제공되는 전류의 세기를 달리하여 초점거리를 가변시킬 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예 2에 따른 유체 렌즈는 항상 마이너스 굴절률을 가지는 오목 렌즈가 된다. 그러나 강자성체를 균일 자기장 속에서 자화시켜 유체 렌즈의 한 멤브레인에 포함시킨다면 이 멤브레인은 자기장을 형성할 것이다. 그러면 이렇게 자화된 강자성체는 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타낼 수 있는 제2 수단이 될 수 있다. 따라서 유체 렌즈의 다른 한 멤브레인에 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단을 형성시키면 두 멤브레인 사이에는 인력과 척력을 발생시킬 수 있기 때문에 유체 렌즈를 오목 렌즈뿐만 아니라 볼록 렌즈로 변형시킬 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)를 도 18과 도 19를 참고로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 18과 도 19에 도시된 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)는 제1 멤브레인(10)이 신축성이 있는 탄성 멤브레인으로 구성되고 제2 멤브레인(20)은 신축성이 없는 비탄성 멤브레인으로 구성되어 있다.
또한 도 18과 도 19에 도시된 유체 렌즈(300)는 제1 멤브레인(10)은 주변 자기장에 의해 인력 또는 척력을 나타내는 제2 수단으로서 자화된 강자성체 물질을 포함하고 있다. 이때 예를 들어 제1 멤브레인(10)의 윗면의 중심은 S극, 아랫면의 중심은 N극을 띠도록 강자성체 물질이 자화되어 있고, 제2 멤브레인(20)에는 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단으로서 도선(21)이 포함되어 있을 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)에서 제2 멤브레인(20)의 도선(21)에 도 18에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로 전류를 흘리면, 제2 멤브레인의 윗면의 중심이 N극이 되어 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 척력이 발생하여 유체 렌즈(300)는 플러스 굴절력을 가지는 볼록평(convex-plano) 형태의 볼록 렌즈가 된다.
또한 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)의 제2 멤브레인의 도선에 도 19에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 전류를 흘리면, 제2 멤브레인의 윗면의 중심이 S극이 되어 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 인력이 발생하고, 유체 렌즈(300)는 마이너스 굴절력을 가지는 오목평(concave-plano) 형태의 오목 렌즈가 된다.
또한 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)는 도 20에 도시된 바와 같이 제1 멤브레인(10)을 신축성이 없는 비탄성 재질로, 제2 멤브레인(20)을 신축성이 있는 탄성 재질로 구성할 수도 있다.
도 20에 도시된 바와 같은 유체 렌즈(300)에서, 제2 멤브레인(20)의 도선에 시계방향으로 전류를 흘리면, 제2 멤브레인의 윗면의 중심이 S극이 되어 제1 멤브레인의 강자성체를 끌어 당기게 되는데, 이 때 제1 멤브레인(10)은 신축성이 없는 비탄성 재질로 구성되어 있기 때문에 상대적으로 제2 멤브레인(20)이 당겨져서 마이너스 굴절률을 가지는 평오목(plano-concave)형태의 오목 렌즈가 형성되는 것이다.
만약 도 20에 도시된 바와 같은 유체 렌즈의 도선(21)에 반시계 방향으로 전류를 흘리면 플러스 굴절률을 가지는 평볼록(plano-convex)형태의 볼록 렌즈가 형성됨을 이해할 수 있을 것이다.
또한 본 발명의 실시예 3의 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(20)을 모두 탄성 멤브레인으로 구성하여 양오목(bi-concave)형태의 오목 렌즈 또는 양볼록(bi-convex) 형태의 볼록 렌즈를 구성할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)는 자기장을 형성하는 제1 수단으로서 도선에 제공되는 전류의 방향에 따라 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈가 되도록 변형할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예 3에 따른 유체 렌즈(300)는 전류의 세기를 조절하여 초점거리를 가변시킬 수도 있다.
또한 자화된 강자성체 물질은 알갱이, 여러가지 기하학적 강자성체 패턴, 강자성체 박막(thin film) 중 어느 하나 또는 2가지 이상을 조합한 형태로 구성될 수도 있다.
또한 지금까지 설명된 실시예들에서 유체 렌즈를 구성하는 유체가 스펙트럼상 특정영역에서 광투과율이 있는 재질로 구성되어야만 특정영역에서 유효한 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈가 됨은 자명한 사실이다.
또한 지금까지의 실시예들에서 신축성이 없는 비탄성 멤브레인의 형상이 평면인 것에 대해서 한정하여 설명하였지만, 신축성이 없는 비탄성 멤브레인의 형상을 구면 또는 비구면 등의 곡면으로 할 수도 있음을 이해하여야 할 것이다.
또한 지금까지의 실시예들에서는 상기 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 어느 하나에는 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단이 1개이상 설치되고, 또 다른 하나에는 주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 제2 수단이 1개이상 설치되는 것으로 본 발명을 설명하였다. 그러나 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 중 어느 하나에 제1 수단과 제2 수단이 혼재될 수도 있다.
즉, 제1 멤브레인에 제1 수단과 제2 수단이 혼재되어 설치되고, 제2 멤브레인에 제1 수단, 제2 수단, 또는 제1 수단과 제2 수단이 혼재된 상태로 설치되어도 각각의 제1 수단과 제2 수단의 작용으로 인력 또는 척력을 나타낼 수 있다. 따라서 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이 공간의 부피 변화를 이끌어 낼 수 있으며, 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈를 구현할 수 있다.
또한 지금까지 실시예들에 대한 모든 도면에서는 유체 챔버가 제1 멤브레인의 가장자리 제2 멤브레인의 가장자리 사이의 간격을 모든 영역에서 일정하게 이격시키는 것으로 도시하였으나 도 21에서와 같이 일부 영역에서 제1 멤브레인의 가장자리와 제2 멤브레인의 가장자리 사이의 간격이 다른 영역에서의 간격과 다르도록 구성할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 초점거리를 가변할 수 있는 유체 렌즈를 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
[부호의 설명]
10: 제1 멤브레인 20: 제2 멤브레인
11, 21: 도선 12, 13, 22, 23: 전류선
30: 유체 챔버 40: 보충 챔버
41: 이동편 42: 인장 스프링
43: 압축 스프링

Claims (13)

  1. 가변할 수 있는 자기장을 형성하는 제1 수단을 1개 이상 가진 제1 멤브레인;
    주변 자기장에 의해 자기력을 나타내는 제2 수단을 1개 이상 가진 제2 멤브레인;
    상기 제1 멤브레인의 가장자리와 상기 제2 멤브레인의 가장자리가 서로 마주보는 위치에서 고정되어 있도록 하면서, 상기 제1 멤브레인과 제2 멤브레인 사이에 공간을 형성하고, 상기 공간에 삽입된 유체를 갖는 유체 챔버; 및
    상기 유체 챔버와 연결되어 있으며, 상기 공간의 부피가 증가하면 상기 공간으로 유체를 공급하고 상기 공간의 부피가 감소하면 상기 공간으로부터 유체를 공급받는 보충 챔버;
    를 포함하는 유체 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인이 상기 제2 수단을 더 포함하거나, 상기 제2 멤브레인이 상기 제1 수단을 더 포함하거나, 또는 상기 제1 멤브레인에 상기 제2 수단이 더 포함되고 상기 제2 멤브레인에 상기 제1 수단이 더 포함된 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수단 또는 제2 수단은 도선인 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 수단은 강자성체 물질 또는 자화된 강자성체 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강자성체 물질은 분산된 강자성체 알갱이, 기하학적 강자성체 패턴, 강자성체 박막 중 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수단 및 상기 제2 수단은 가시광선 영역에서 광투과율이 있는 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보충 챔버에는 상기 유체에 압력을 제공하는 압력 수단이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보충 챔버는 유체가 채워진 공간과 나머지 공간의 경계를 형성하는 이동 가능한 이동편을 포함하고, 상기 압력 수단은 일단이 상기 이동편에 연결되며 상기 유체가 채워진 공간 내에 위치하는 인장 스프링 또는 일단이 상기 이동편에 연결되며 상기 나머지 공간 내에 위치하는 압축 스프링인 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 도선은 일측이 개방된 원형 도선 또는 나선형 도선인 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도선의 일단과 끝단에 2개의 평행한 전류 도선이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 도선은 일측이 개방된 복수 개의 원형 도선을 포함하고 상기 복수 개의 원형 도선은 서로 중심은 일치하고 직경은 상이한 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 원형 도선의 일단과 끝단에 2개의 평행한 전류 도선이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인 및/또는 상기 제2 멤브레인은 신축성이 있는 탄성 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 유체 렌즈.
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